EP3218916A1 - Actionneur electromagnetique à bobines multiples - Google Patents

Actionneur electromagnetique à bobines multiples

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EP3218916A1
EP3218916A1 EP15804887.6A EP15804887A EP3218916A1 EP 3218916 A1 EP3218916 A1 EP 3218916A1 EP 15804887 A EP15804887 A EP 15804887A EP 3218916 A1 EP3218916 A1 EP 3218916A1
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coil
magnetic
differential
magnetic field
winding
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Alexandre CHAMAGNE
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Hager Electro SAS
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Hager Electro SAS
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/24—Electromagnetic mechanisms
    • H01H71/30—Electromagnetic mechanisms having additional short-circuited winding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H83/00—Protective switches, e.g. circuit-breaking switches, or protective relays operated by abnormal electrical conditions otherwise than solely by excess current
    • H01H83/14—Protective switches, e.g. circuit-breaking switches, or protective relays operated by abnormal electrical conditions otherwise than solely by excess current operated by imbalance of two or more currents or voltages, e.g. for differential protection
    • H01H83/144—Protective switches, e.g. circuit-breaking switches, or protective relays operated by abnormal electrical conditions otherwise than solely by excess current operated by imbalance of two or more currents or voltages, e.g. for differential protection with differential transformer

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic actuator whose immunity to electric shock has been enhanced. It relates in particular electromechanical actuators which are used in combination with trigger locks of electrical line protection devices, for example differential devices and / or disjunction dependent on the mains voltage.
  • An actuator conventionally comprises coils surrounding a movable magnetic core capable of moving from a rest position to an actuating position under the effect of the magnetic field created by the coils. More precisely, it includes:
  • magnetic coil generating a magnetic field in response to a fault of the short-circuit type on the current line to be protected.
  • the problem to be solved by this invention is as follows: the circuits protected by electrical appliances such as those mentioned before are tested and are subjected to electromagnetic compatibility (EMC) tests, to check whether they are sufficiently immunized against disturbances from other equipment, or more generally from the environment.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • Such an actuator it is customary for such an actuator to be controlled by a control element, for example a thyristor, itself activated when the detection circuit of the device detects a fault.
  • a varistor protects the control element in the event of an overvoltage wave as a 1.2 / 50 ⁇ 8 voltage wave. This varistor becomes conductive beyond a defined voltage threshold and thus makes it possible to limit the voltage across the control element to a value lower than the breakdown voltage of the control element.
  • a current solution consists in placing an additional varistor at the terminals of the differential coil.
  • This solution makes it possible to avoid breakdowns in current wave 8 / 20 ⁇ 8, but has the disadvantage of increasing the voltage (of the order of 1000V) at the terminals of the control element during a voltage wave 1, 2 / 50 ⁇ 8 because of the very strong current (of the order of 1000A) drained by the two varistors in series.
  • the control element so as not to degrade prematurely, must be able to withstand such a voltage. It will therefore consist, for example, of a 1200V thyristor or an IGBT, that is to say a relatively expensive component.
  • the manufacture of such an electromagnetic actuator will also be simple to implement and inexpensive.
  • the electromagnetic actuator according to the invention comprises, in a conventional manner:
  • a differential coil generating a magnetic field in response to a differential type fault on the current line to be protected
  • a magnetic coil nested with the differential coil, and generating a magnetic field in response to a short circuit-type fault on the current line to be protected.
  • This actuator is characterized principally in that it also comprises a third winding coil short-circuited and nested with said differential and magnetic coils, generating a magnetic field opposite the magnetic field created by the magnetic coil.
  • the main idea of this invention is to provide an additional short-circuited coil instead of an additional varistor as was the case in the prior art.
  • This solution is as advantageous from an economic point of view, since a coil is less expensive than a varistor, than from a compact point of view, because the additional coil is nested in the volume defined by the existing coils and therefore does not take any extra space.
  • the magnetic coil When the magnetic coil is traversed by an 8 / 20 ⁇ 8 current wave, it generates a magnetic field.
  • the short-circuited coil captures this magnetic field by its positioning in the vicinity of the magnetic coil, and naturally created, by coupling magnetic, an induced current which crosses in the opposite direction to the current flowing in the magnetic coil. This induced current then creates a magnetic field that opposes that created by the magnetic coil. The resulting magnetic field is significantly lower than that initially created by the magnetic coil, which reduces the voltage induced on the differential coil.
  • This configuration makes it possible to avoid the breakdowns caused by the 8 / 20 ⁇ 8 current waves, without influencing the good functioning of the actuator during a 1.2 / 50 ⁇ 8 voltage wave.
  • the downstream components i.e. the varistor across the control element and the control element, can be selected in a range. lower and therefore less expensive.
  • the invention is based on the fact that the three coils are located in the same defined space in order to have a magnetic coupling between them.
  • the three coils can even be coaxial in order to simplify their winding and positioning within the actuator. This configuration ensures maximum compactness of the actuator.
  • the third short-circuited coil and the differential coil have one point in common for the winding, for example at a pin of a cylindrical jacket around which the coils of the two coils are wound simultaneously at the same time. step of winding during the manufacture of the actuator. This common point thus facilitates the simultaneous winding of the two coils and the integration of the short-circuited coil within the actuator.
  • the shorted coil is dimensioned so that it does not interfere with the normal operation of the magnetic and differential coils.
  • the invention also protects an electrical line protection apparatus comprising an electromagnetic actuator as described above.
  • FIG. 1 shows a schematic view of the actuator according to the invention
  • FIG. 2 is a graph showing the evolution of the induced voltage measured on an actuator during a current wave
  • the actuator of the invention as illustrated in FIG. 1 comprises a magnetic coil (1) and a differential coil (2) connected in parallel in the protected line, that is to say typically between phase Ph and neutral N This actuator is placed classically upstream of a load present on the line to be protected.
  • These coils (1, 2) surround a mobile magnetic core (not shown) capable of moving from a rest position to an actuating position under the effect of the magnetic field created by the coils (1, 2), of closing or opening the contacts (8) positioned upstream of the load.
  • This actuator is controlled by a control element (5), a thyristor in this case, itself activated when the detection circuit (not shown) of the device detects a fault.
  • This thyristor (5) is placed downstream of the differential coil (2) between the phase Ph and the neutral N.
  • a varistor (4) connected in parallel with the thyristor (5), protects the latter in the event of an overvoltage wave.
  • This actuator further comprises a short-circuited coil (3) on itself.
  • the three coils (1, 2, 3) are separated from each other in Figure 1, but are in fact nested one inside the other so as to generate a magnetic coupling.
  • the coil (3) by its short-circuit formation, will always generate a magnetic field opposite to the field generated by the magnetic coil (1) during an 8 / 20 ⁇ 8 current wave, regardless of the direction of winding .
  • the voltage across the differential coil (2) is reduced, thereby avoiding dielectric breakdowns and deterioration of the adjacent varistor and thyristor.
  • the short-circuited coil (3) and the differential coil (2) can be connected at a common point (7), which is then phase potential.
  • the connection is shown in dashed lines in FIG. 1. It serves as an anchor point for the simultaneous winding of the two coils (2, 3).
  • FIG. 2 illustrates the reduction of the voltage induced on the differential coil during an 8 / 20 ⁇ 8 current wave of 3000A.
  • the magnetic coil has 7 turns
  • the differential coil has 1000 turns.
  • Curve (10) shows the evolution of the induced voltage measured on an actuator of the prior art as described above, without additional varistor.
  • the induced voltage has a peak that climbs beyond 12000V.
  • Curve (11) shows the evolution of the induced voltage measured on an actuator according to the invention, with a third coil having 100 turns short-circuited and nested in the other two coils. With respect to the curve (10), the induced voltage is divided by 3, and goes up to 4000V at the maximum.
  • Curve (12) finally shows the evolution of the induced voltage measured on an actuator according to the invention, with a third coil having 200 turns short-circuited and nested in the other two coils.
  • the increase in the number of short-circuit turns again makes it possible to reduce the induced voltage, and this voltage rises to less than 3000V.

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Abstract

Actionneur électromagnétique de protection de ligne, comprenant plusieurs bobines entourant un noyau magnétique mobile susceptible de se déplacer d'une position de repos à une position d'actionnement sous l'effet du champ magnétique créé par les bobines, et comportant : - une bobine différentielle (2) générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type différentiel sur la ligne de courant à protéger; - une bobine magnétique (1), imbriquée avec la bobine différentielle (2), et générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type court-circuit sur la ligne de courant à protéger. Cet actionneur électromagnétique est caractérisé en ce qu'il comporte également une troisième bobine (3) enroulée en court-circuit et imbriquée avec lesdites bobines différentielle (2) et magnétique (1), générant un champ magnétique opposé au champ magnétique créé par la bobine magnétique (1).

Description

Actionneur électromagnétique à bobines multiples DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention se rapporte à un actionneur électromagnétique dont l'immunité aux chocs électriques a été renforcée. Elle concerne en particulier les actionneurs électromécaniques qui sont utilisés en association avec des serrures de déclenchement d'appareils électriques de protection de lignes, par exemple des appareils différentiels et/ou de disjonction dépendants de la tension secteur.
Ces appareils doivent déclencher dans des conditions bien particulières, typiquement lorsqu'il se produit un déséquilibre entre la somme des courants entrants et la somme des courants sortants de la ligne protégée par l'appareil en question, ce qui correspond à une protection « différentielle » suite à un défaut différentiel, ou lorsque l'intensité du courant est anormalement élevée, ce qui correspond à une protection « magnétique » suite à un défaut de court-circuit.
Un actionneur comporte classiquement des bobines entourant un noyau magnétique mobile susceptible de se déplacer d'une position de repos à une position d' actionnement sous l'effet du champ magnétique créé par les bobines. Plus précisément, il comporte :
- une bobine dite « différentielle » générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type différentiel sur la ligne de courant à protéger ;
- une bobine dite « magnétique » générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type court-circuit sur la ligne de courant à protéger.
II s'agit en réalité d'un actionneur à enroulement multiple, qui consiste en une solution compacte permettant d'assurer différents types de protections avec un même actionneur.
ARRIÈRE-PLAN DE L'INVENTION
Le problème que se propose de résoudre cette invention est le suivant : les circuits protégés par des appareils électriques tels que ceux mentionnés auparavant subissent des tests et sont soumis à des essais de compatibilité électromagnétique (CEM), afin de vérifier s'ils sont suffisamment immunisés contre les perturbations provenant des autres équipements, ou plus généralement de l'environnement.
Ces essais sont normés, et consistent à envoyer plusieurs ondes de courant 8/20μ8, puis une onde de tension 1,2/50μ8 dans l'appareil électrique. Ce dernier ne doit pas déclencher dans ces conditions. Cela signifie qu'en appliquant de telles ondes, il ne doit pas survenir de claquage diélectrique, ni de détérioration de composant à l'intérieur de l'appareil.
Il est d'usage qu'un tel actionneur soit piloté par un élément de commande, par exemple un thyristor, lui-même activé lorsque le circuit de détection de l'appareil détecte un défaut. Une varistance protège l'élément de commande en cas d'onde de surtension comme une onde de tension 1,2/50μ8. Cette varistance devient passante au-delà d'un seuil de tension défini et permet ainsi de limiter la tension aux bornes de l'élément de commande à une valeur inférieure à la tension de claquage de l'élément de commande.
Lorsqu'une onde de tension 1,2/50μ8 circule dans la bobine différentielle, elle peut provoquer un déclenchement intempestif de l'appareil sous 2kV, alors que la norme exige que actionneur soit capable de supporter des chocs sans déclenchement en dessous de 2kV.
Lorsqu'une onde de courant 8/20μ8 circule dans la bobine magnétique, et si les spires de la bobine différentielle sont imbriquées dans les spires de la seconde bobine magnétique, par couplage électromagnétique, apparaît une importante tension induite aux bornes de la première bobine différentielle, ce qui provoque des claquages diélectriques avec une destruction de la protection différentielle.
Pour pallier à ces deux problèmes, une solution actuelle consiste à placer une varistance additionnelle aux bornes de la bobine différentielle. Cette solution permet d'éviter les claquages en onde de courant 8/20μ8, mais a pour inconvénient d'augmenter la tension (de l'ordre de 1000V) aux bornes de l'élément de commande lors d'une onde de tension 1,2/50μ8 à cause du très fort courant (de l'ordre de 1000A) drainé par les deux varistances en série. L'élément de commande, pour ne pas se dégrader prématurément, doit donc être capable de supporter une telle tension. Il consistera donc, par exemple, en un thyristor 1200V ou un IGBT, c'est-à-dire un composant relativement cher.
Il est possible d'ajouter une résistance en amont de la bobine différentielle afin de limiter le courant qui traverse les varistances, mais cela remet en cause la compacité de Γ actionneur, et l'élément de commande sera tout de même choisi parmi des composants chers pour supporter à la fois les ondes de tension 1,2/50μ8 et les ondes de courant 8/20μ8.
La solution employée actuellement s'avère donc relativement coûteuse.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
L'objectif poursuivi, dans le cadre de la présente invention, réside donc à développer un actionneur électromagnétique capable de supporter des chocs provoqués par des surtensions brèves non provoquées par un dysfonctionnement du circuit proprement dit, sans induire de déclenchement de l'appareil dans lequel Γ actionneur est intégré. La fabrication d'un tel actionneur électromagnétique devra de plus être simple de mise en œuvre et peu coûteuse.
L' actionneur électromagnétique selon l'invention comporte, de façon classique :
- une bobine différentielle générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type différentiel sur la ligne de courant à protéger ;
- une bobine magnétique, imbriquée avec la bobine différentielle, et générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type court-circuit sur la ligne de courant à protéger.
Cet actionneur se caractérise à titre principal en ce qu'il comporte également une troisième bobine enroulée en court-circuit et imbriquée avec lesdites bobines différentielle et magnétique, générant un champ magnétique opposé au champ magnétique créé par la bobine magnétique.
L'idée principale de cette invention consiste à prévoir une bobine supplémentaire court-circuitée au lieu d'une varistance supplémentaire comme cela était le cas dans l'art antérieur. Cette solution est autant avantageuse d'un point de vue économique, puisqu'une bobine est moins coûteuse qu'une varistance, que d'un point de vue compacité, car la bobine supplémentaire est imbriquée dans le volume défini par les bobines déjà existantes et ne prend donc pas de place supplémentaire.
Lorsque la bobine magnétique est traversée par une onde de courant 8/20μ8, elle génère un champ magnétique. La bobine court- circuitée capte ce champ magnétique de par son positionnement au voisinage de la bobine magnétique, et créé naturellement, par couplage magnétique, un courant induit qui la traverse dans le sens opposé au courant qui circule dans la bobine magnétique. Ce courant induit créée alors un champ magnétique qui s'oppose à celui créé par la bobine magnétique. Le champ magnétique résultant est nettement inférieur à celui initialement créé par la bobine magnétique, ce qui permet de réduire la tension induite sur la bobine différentielle.
Cette configuration permet d'éviter les claquages provoqués par les ondes de courant 8/20μ8, sans influencer sur le bon fonctionnement de l'actionneur lors d'une onde de tension 1,2/50μ8.
De plus, puisque la tension induite sur la bobine différentielle est réduite, les composants situés en aval, c'est-à-dire la varistance aux bornes de l'élément de commande et l'élément de commande, peuvent être sélectionnés dans une gamme inférieure et donc moins coûteuse.
L'invention est axée sur le fait que les trois bobines sont localisées dans un même espace défini afin d'avoir un couplage magnétique entre elles. Les trois bobines peuvent même être coaxiales afin de simplifier leur bobinage et leur positionnement au sein de l'actionneur. Cette configuration permet d'assurer une compacité maximale de l'actionneur.
Selon une possibilité, la troisième bobine court-circuitée et la bobine différentielle ont un point en commun pour le bobinage, par exemple au niveau d'une broche d'une chemise cylindrique autour de laquelle sont enroulées simultanément les spires des deux bobines lors de l'étape de bobinage pendant la fabrication de l'actionneur. Ce point commun permet ainsi de faciliter le bobinage simultané des deux bobines et l'intégration de la bobine court-circuitée au sein de l'actionneur.
De manière générale, la bobine court-circuitée est dimensionnée de sorte à ce qu'elle n'interfère pas sur le fonctionnement normal des bobines magnétique et différentielles.
L'invention protège également un appareil électrique de protection de ligne comprenant un actionneur électromagnétique tel que décrit ci-dessus.
La présente invention va être mieux comprise à partir de la description détaillée ci-après et des dessins annexés qui sont fournis à titre d'illustration uniquement, sans limiter la présente invention. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention va à présent être décrite plus en détail, en référence aux figures annexées, pour lesquelles :
- la figure 1 représente une vue schématique de l'actionneur selon l'invention ;
- la figure 2 consiste en un graphique montrant l'évolution de la tension induite mesurée sur un actionneur lors d'une onde de courant
L'actionneur de l'invention tel qu'illustré en figure 1 comporte une bobine magnétique (1) et une bobine différentielle (2) connectées en parallèle dans la ligne protégée, c'est-à-dire typiquement entre phase Ph et neutre N. Cet actionneur est placé classiquement en amont d'une charge présente sur la ligne à protéger.
Ces bobines (1, 2) entourent un noyau magnétique mobile (non représenté) susceptible de se déplacer d'une position de repos à une position d'actionnement sous l'effet du champ magnétique créé par les bobines (1, 2), de manière à fermer ou ouvrir les contacts (8) positionnés en amont de la charge.
Cet actionneur est piloté par un élément de commande (5), un thyristor en l'occurrence, lui-même activé lorsque le circuit de détection (non représenté) de l'appareil détecte un défaut. Ce thyristor (5) est placé en aval de la bobine différentielle (2) entre la phase Ph et le neutre N.
Une varistance (4), connectée en parallèle du thyristor (5), protège ce dernier en cas d'onde de surtension.
Cet actionneur comporte de plus une bobine court-circuitée (3) sur elle-même. Les trois bobines (1, 2, 3) sont séparées les unes des autres sur la figure 1, mais sont en réalité imbriquées les unes dans les autres de manière à générer un couplage magnétique.
La bobine (3), de par sa formation en court-circuit, générera toujours un champ magnétique opposé au champ généré par la bobine magnétique (1) lors d'une onde de courant 8/20μ8, et ce peu importe le sens de bobinage. Par conséquent, la tension aux bornes de la bobine différentielle (2) est réduite, ce qui permet d'éviter les claquages diélectriques et la détérioration de la varistance et du thyristor adjacents.
La bobine court-circuitée (3) et la bobine différentielle (2) peuvent être reliées au niveau d'un point commun (7), qui se trouve alors au potentiel phase. La liaison est représentée en pointillé sur la figure 1. Elle sert de point d'ancrage pour le bobinage simultané des deux bobines (2, 3).
La figure 2 permet d'illustrer la réduction de la tension induite sur la bobine différentielle lors d'une onde de courant 8/20μ8 de 3000A. Dans cet exemple, la bobine magnétique comporte 7 spires, et la bobine différentielle comporte 1000 spires.
La courbe (10) montre l'évolution de la tension induite mesurée sur un actionneur de l'art antérieur tel que décrit précédemment, sans varistance additionnelle. La tension induite présente un pic qui grimpe au- delà de 12000V.
La courbe (11) montre l'évolution de la tension induite mesurée sur un actionneur selon l'invention, avec une troisième bobine ayant 100 spires mises en court-circuit et imbriquées dans les deux autres bobines. Par rapport à la courbe (10), la tension induite est divisée par 3, et monte à 4000V au maximum.
La courbe (12) enfin montre l'évolution de la tension induite mesurée sur un actionneur selon l'invention, avec une troisième bobine ayant 200 spires mises en court-circuit et imbriquées dans les deux autres bobines. L'augmentation du nombre de spires en court-circuit permet encore de diminuer la tension induite, et cette dernière s'élève à moins de 3000V.
Les configurations montrées aux figures citées ne sont que des exemples possibles, nullement limitatifs, de l'invention qui englobe au contraire les variantes de formes et de conceptions à la portée de l'homme de l'art.

Claims

REVENDICATIONS
1. Actionneur électromagnétique de protection de ligne, comprenant plusieurs bobines entourant un noyau magnétique mobile susceptible de se déplacer d'une position de repos à une position d'actionnement sous l'effet du champ magnétique créé par les bobines, et comportant :
- une bobine différentielle (2) générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type différentiel sur la ligne de courant à protéger ;
- une bobine magnétique (1), imbriquée avec la bobine différentielle (2), et générant un champ magnétique en réponse à un défaut du type court-circuit sur la ligne de courant à protéger ;
caractérisé en ce qu'il comporte également une troisième bobine (3) enroulée en court-circuit et imbriquée avec lesdites bobines différentielle (2) et magnétique (1), générant un champ magnétique opposé au champ magnétique créé par la bobine magnétique (1).
2. Actionneur électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les trois bobines (1, 2, 3) sont coaxiales.
3. Actionneur électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la troisième bobine (3) court-circuitée et la bobine différentielle (2) ont un point en commun (7) pour le bobinage.
4. Appareil électrique de protection de ligne comprenant un actionneur électromagnétique tel que décrit dans les revendications précédentes.
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